Ce gant Touchy-Feely détecte et cartographie les stimuli tactiles

Lorsque vous prenez un ballon, la pression pour le maintenir est différente de celle que vous exerceriez pour saisir un pot. Et maintenant, les ingénieurs du MIT et d'ailleurs ont un moyen de mesurer et de cartographier avec précision ces subtilités de dextérité tactile.

L'équipe a conçu un nouveau gant tactile qui peut « sentir » la pression et d'autres stimuli tactiles. L'intérieur du gant est doté d'un système de capteurs qui détecte, mesure et cartographie les petits changements de pression à travers le gant. Les capteurs individuels sont très adaptés et peuvent capter de très faibles vibrations sur la peau, comme celles du pouls d'une personne.

Lorsque les sujets portaient le gant tout en ramassant un ballon plutôt qu'un bécher, les capteurs généraient des cartes de pression spécifiques à chaque tâche. Tenir un ballon produit un signal de pression relativement uniforme sur toute la paume, tandis que saisir un gobelet crée une pression plus forte au bout des doigts.

Les chercheurs affirment que le gant tactile pourrait aider à recycler la fonction motrice et la coordination chez les personnes qui ont subi un accident vasculaire cérébral ou une autre condition motrice fine. Le gant pourrait également être adapté pour augmenter la réalité virtuelle et les expériences de jeu. L'équipe envisage d'intégrer les capteurs de pression non seulement dans des gants tactiles, mais également dans des adhésifs flexibles pour suivre le pouls, la pression artérielle et d'autres signes vitaux avec plus de précision que les montres intelligentes et autres moniteurs portables.

"La simplicité et la fiabilité de notre structure de détection sont très prometteuses pour une diversité d'applications de soins de santé, telles que la détection du pouls et la récupération de la capacité sensorielle chez les patients souffrant de dysfonctionnement tactile", déclare Nicholas Fang, professeur de génie mécanique au MIT.

Les capteurs de pression du gant sont similaires dans leur principe aux capteurs qui mesurent l'humidité. Ces capteurs, que l'on trouve dans les systèmes CVC, les réfrigérateurs et les stations météorologiques, sont conçus comme de petits condensateurs, avec deux électrodes, ou plaques métalliques, prenant en sandwich un matériau "diélectrique" caoutchouteux qui transporte les charges électriques entre les deux électrodes.

Dans des conditions humides, la couche diélectrique agit comme une éponge pour absorber les ions chargés de l'humidité environnante. Cet ajout d'ions modifie la capacité, ou la quantité de charge entre les électrodes, d'une manière qui peut être quantifiée et convertie en une mesure d'humidité.

Ces dernières années, les chercheurs ont adapté cette structure sandwich capacitive pour la conception de capteurs de pression fins et flexibles. L'idée est similaire :lorsqu'un capteur est pressé, l'équilibre des charges dans sa couche diélectrique se déplace d'une manière qui peut être mesurée et convertie en un signal de pression. Mais la couche diélectrique de la plupart des capteurs de pression est relativement volumineuse, ce qui limite leur sensibilité.

Pour leurs nouveaux capteurs tactiles, l'équipe s'est débarrassée de la couche diélectrique conventionnelle au profit d'un ingrédient surprenant :la sueur humaine. Comme la sueur contient naturellement des ions tels que le sodium et le chlorure, ils ont pensé que ces ions pourraient servir de substituts diélectriques. Plutôt qu'une structure en sandwich, ils ont imaginé deux électrodes fines et plates, placées sur la peau pour former un circuit avec une certaine capacité. Si une pression était appliquée sur une électrode de « détection », les ions de l'humidité naturelle de la peau s'accumuleraient sur la face inférieure et modifieraient la capacité entre les deux électrodes, d'une quantité qu'elles pourraient mesurer.

Ils ont découvert qu'ils pouvaient augmenter la sensibilité de l'électrode de détection en recouvrant sa face inférieure d'une forêt de poils minuscules, souples et conducteurs. Chaque poil servirait d'extension microscopique de l'électrode principale, de sorte que, si une pression était appliquée à, par exemple, un coin de l'électrode, les poils de cette région spécifique se plieraient en réponse et accumuleraient des ions de la peau, le degré et dont l'emplacement pourrait être mesuré et cartographié avec précision.

Dans leur nouvelle étude, l'équipe a fabriqué de fines électrodes de détection de la taille d'un noyau recouvertes de milliers de filaments microscopiques en or, ou « micropiliers ». Ils ont démontré qu'ils pouvaient mesurer avec précision le degré de flexion de groupes de micropiliers en réponse à diverses forces et pressions. Lorsqu'ils ont placé une électrode de détection et une électrode de contrôle sur le bout du doigt d'un volontaire, ils ont découvert que la structure était très sensible. Les capteurs ont pu détecter des phases subtiles du pouls de la personne, telles que différents pics dans le même cycle. Ils pouvaient également maintenir des mesures précises du pouls, même lorsque la personne portant les capteurs agitait la main en traversant une pièce.

"Le pouls est une vibration mécanique qui peut également provoquer une déformation de la peau, que nous ne pouvons pas ressentir, mais que les piliers peuvent capter", a déclaré Fang.

Les chercheurs ont ensuite appliqué les concepts de leur nouveau capteur de pression à micropilier à la conception d'un gant tactile très sensible. Ils ont commencé avec un gant en soie, que l'équipe a acheté dans le commerce. Pour fabriquer des capteurs de pression, ils découpent de petits carrés dans du tissu de carbone, un textile composé de nombreux filaments fins semblables à des micropiliers.

Ils ont transformé chaque carré de tissu en électrode de détection en le vaporisant d'or, un métal naturellement conducteur. Ils ont ensuite collé les électrodes en tissu sur différentes parties de la doublure intérieure du gant, y compris le bout des doigts et les paumes, et ont enfilé des fibres conductrices dans tout le gant pour connecter chaque électrode au poignet du gant, où les chercheurs ont collé une électrode de commande.

Plusieurs volontaires ont porté à tour de rôle le gant tactile et effectué diverses tâches, notamment tenir un ballon et saisir un bécher en verre. L'équipe a collecté les lectures de chaque capteur pour créer une carte de pression sur le gant au cours de chaque tâche. Les cartes ont révélé des modèles de pression distincts et détaillés générés au cours de chaque tâche.

L'équipe prévoit d'utiliser le gant pour identifier les modèles de pression pour d'autres tâches, telles que l'écriture avec un stylo et la manipulation d'autres objets ménagers. En fin de compte, ils envisagent que de telles aides tactiles pourraient aider les patients souffrant de dysfonctionnement moteur à calibrer et à renforcer leur dextérité et leur préhension de la main.

"Certaines habiletés motrices fines nécessitent non seulement de savoir manipuler des objets, mais aussi de savoir quelle force doit être exercée", a déclaré Fang. "Ce gant pourrait nous fournir des mesures plus précises de la force de préhension pour les groupes témoins par rapport aux patients qui se remettent d'un accident vasculaire cérébral ou d'autres conditions neurologiques. Cela pourrait accroître notre compréhension et permettre le contrôle. »